PHÂN TÍCH THỦY NHIỆT CÁC QUÁ TRÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG BÌNH ĐIỀU ÁP LÒ VVER1000 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH RELAPSCDAPSIM

1
PHÂN TÍCH THỦY NHIỆT CÁC QUÁ TRÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG
BÌNH ĐIỀU ÁP LÒ VVER-1000 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH
RELAP/SCDAPSIM

LÊ THỊ THƯ, LÊ ĐẠI DIỄN

Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân
179 Hoàng Quốc Việt, Nghĩa Đô, Cầu Giấy, Hà Nội
Email:

Tóm tắt: Bình điều áp sử dụng trong lò nước áp lực là một trong những thành phần chính
của hệ thống tải nhiệt lò phản ứng. Bình điều áp có chức năng duy trì và kiểm soát áp suất
của hệ thống trong giới hạn cho phép. Áp suất của bình điều áp thay đổi do sự sinh ra bọt
khí trong quá trình nóng lên của chất tải nhiệt và sự ngưng tụ hơi trong quá trình nước
được phun vào bình điều áp.
Bài báo này mô phỏng bình điều áp lò VVER-1000 bằng phần mềm RELAP/SCDAPSIM
và phân tích hoạt động thủy nhiệt diễn ra trong bình điều áp với các kịch bản khác nhau
như là: trạng thái dừng, trạng thái chuyển tiếp tăng áp suất, trạng thái chuyển tiếp tăng
mức nước và trạng thái chuyển tiếp giảm áp suất.
Từ khóa: RELAP/SCDAPSIM, VVER-1000, bình điều áp.

I. MỞ ĐẦU
Các lò phản ứng nước áp lực (PWR) được thiết kế và vận hành theo nguyên lý hai vòng
tuần hoàn. Nước tải nhiệt trong vòng sơ cấp thực hiện chu trình làm mát và do đó lấy nhiệt từ
vùng hoạt của lò phản ứng để thực hiện trao đổi nhiệt với nước trong hệ thống tuần hoàn thứ
cấp tại thiết bị sinh hơi. Nước trong hệ thống thứ cấp sau khi nhận nhiệt sẽ sôi và chuyển
thành hơi và chuyển sang hệ thống tuôc bin-máy phát, sau đó hơi được ngưng tụ và quay trở
lại bình sinh hơi. Bình điều áp sử dụng trong lò phản ứng nước áp lực (PWR) với mục đích
điều khiển áp suất của vòng sơ cấp. Một bình điều áp gồm có một thùng chịu áp hình trụ bằng
thép dựng thẳng đứng được đỡ ở dưới đáy, chứa nước ở phần không gian phía dưới và chứa

hơi ở phần không gian phía trên. Bình điều áp thực hiện chức năng bằng cách duy trì điều
kiện bão hoà bên trong bình điều áp. Để bù lại cho sự thay đổi áp suất và nhiệt độ trong suốt
quá trình biến đổi của chất tải nhiệt (nóng lên và lạnh đi) bình điều áp được trang bị bộ gia
nhiệt trong trường hợp áp suất trong bình điều áp giảm và các van phun, van an toàn để xả hơi
ra khỏi bình điều áp trong trường hợp quá áp xảy ra. Hình 1 mô tả sơ đồ nguyên lý của bình
điều áp.
Các quá trình cơ bản liên quan đến việc duy trì và đảm bảo áp suất vận hành của lò phản
ứng theo thiết kế bao gồm các hiện tượng chủ yếu gắn với các thành phần thiết bị trong bình
điều áp.
1. Bộ gia nhiệt : Mục đích của bộ gia nhiệt là hạn chế việc giảm áp không mong muốn
bằng việc đun nóng phần nước trong bình điều áp. Áp suất trong bình điều áp tăng cùng với
việc nhiệt độ và thể tích nước cũng tăng lên. Cơ chế truyền nhiệt trong quá trình này là cơ chế
dẫn nhiệt, đối lưu và có thể có sôi màng cục bộ do nhiệt độ gần với bề mặt bộ gia nhiệt cao
hơn nhiệt độ bão hòa trong toàn bộ hệ thống. Bộ gia nhiệt còn được kích hoạt trong quá trình
khởi động lò phản ứng từ trạng thái lạnh lên trạng thái nóng.
2. Van phun nước : Van phun nước được lắp đặt phía trên đỉnh của bình điều áp nhằm
hạn chế sự tăng áp không mong muốn có thể xảy ra. Hai hiện tượng cơ bản xảy ra trong bình
2
điều áp là sự ngưng tụ do tiếp xúc trực tiếp giữa nước phun vào và sự đốt nóng nước phun vào
do truyền nhiệt trực tiếp từ thành của bình điều áp. Nhiệt độ của nước phun vào tăng và nhanh
chóng đạt nhiệt độ bão hòa.
3. Sự dâng áp : Sự giãn nở của chất tải nhiệt làm tăng mức nước trong bình điều áp.
Hiện tượng truyền nhiệt trong quá trình chuyển tiếp với sự tăng áp là sự ngưng tụ và đối lưu
tự nhiên xảy ra tại thành của bình điều áp, sự pha trộn hay phân tầng của nước nóng và lạnh ở
phần đáy của bình và sự ngưng tụ tại bề mặt tiếp giáp giữa hai pha.
4. Sự giảm áp : Hiện tượng cơ bản xảy ra trong bình điều áp khi giảm áp là sự giãn nở
hơi, biến hơi nhanh và sôi trên thành bình. Khi mức nước trong bình điều áp giảm do giảm áp
của nước trong hệ thống tải nhiệt sơ cấp, thể tích hơi giãn nở và do đó áp suất hơi cũng giảm.
Theo sau sự giảm áp, nhiệt độ bão hòa giảm và nước trở thành quá nhiệt và có thể xảy ra sự
hóa hơi nhanh chóng. Sự hóa hơi nhanh của nước giúp duy trì áp suất và làm chậm lại quá

trình giảm áp trong bình điều áp. Sự sôi trên thành của bình điều áp xảy ra do nhiệt độ thành
cao hơn nhiệt độ bão hòa bên trong bình. Đối lưu cưỡng bức xảy ra tại phần dưới của thành
bình trong quá trình giảm áp dưới bão hòa khi vùng nước nóng đi tới thành bình được làm
mát trước đó bởi nước dưới bão hòa và quá trình này giúp làm giảm hiện tượng hóa hơi nhanh.
Lò phản ứng VVER của Nga thiết kế có nguyên lý hoạt động hoàn toàn tương tự như
các lò PWR phương Tây. Thiết kế tiêu chuẩn VVER-1000/V320 là thiết kế lò phản ứng công
suất 1000MW(e) và hiện đang được vận hành tại một số nhà máy điện hạt nhân tại LB Nga,
CH Sec, Bungary. Trong những năm gần đây, thiết kế của lò VVER-1000 đã được cải tiến và
hoàn thiện thông qua các dự án lò VVER-1000/V392 được xây dựng và vận hành tại trung
Quốc, Ấn Độ và Iran. Ngoài ra, thiết kế mới nhất VVER-1200 hay AES-2006 với công suất
được nâng cao hơn đã và đang được xây dựng tại các nhà máy điện hạt nhân Leningrad II và
Novovoronezh II.
Việc nghiên cứu, tìm hiểu các quá trình chuyển tiếp trong bình điều áp giúp cho việc
hiểu biết sâu sắc hơn về các quá trình, hiện tượng thủy nhiệt cơ bản xảy ra trong các chuyển
tiếp xảy ra trong hệ thống tải nhiệt sơ cấp của lò PWR. Thông qua việc mô tả, áp dụng một số
kịch bản chuyển tiếp cơ bản với các mô hình bình điều áp lò VVER-1000/V320, mô hình nút
hóa bình điều áp và một số kết quả phân tích bằng chương trình RELAP/SCDAPSIM được
thực hiện trong báo cáo này.
II. DỮ LIỆU VÀ MÔ HÌNH CỦA BÌNH ĐIỀU ÁP LÒ VVER-1000
Sơ đồ nguyên lý cho mô hình bình điều áp có một số những
đặc điểm cần chú ý như sau:
• Có 3 miền: Thể tích của thùng chịu áp được chia làm 3 miền
theo điều kiện pha và mức năng lượng. Miền 1 là miền hơi
và khí không ngưng tụ. Miền 2 là miền chất lỏng bão hoà
chứa các bọt khí. Miền 3 là phần nước đi vào từ đường dâng
được nối với một chân nóng của hệ thống tải nhiệt lò phản
ứng.
• Cả 3 miền ở điều kiện cân bằng động.
• Chú ý tới mức nước thực tế và mức nước bị xẹp lại.
• Chú ý tới các hiện tượng thuỷ nhiệt diễn ra trong bình điều

áp.
Hình 1: Sơ đồ nguyên lý của bình
điều áp
3
Ngoài các hiện tượng thủy nhiệt diễn ra trong bình điều áp như đã nêu trên, dựa trên sơ
đồ nguyên lý cũng như thực tế vận hành, cần phải lưu ý đến các vấn đề liên quan bao gồm:
• Mô hình ngưng tụ hơi khi van phun hoạt động.
• Sự sinh bọt khí. Trong quá trình giảm áp, nước ở trạng thái dưới bão hòa và hơi ở trạng
thái quá nhiệt sẽ đạt dần tới trạng thái bão hòa. Các bọt khí được sinh ra trong quá trình
giảm áp ở miền 2.
• Ảnh hưởng của Boron. Trong miền chất lỏng có chứa Boron, điều này làm cho nhiệt độ
sôi của chất lỏng tăng lên. Vì vậy cần chú ý tới sự ảnh hưởng của Boron.
• Sự ngưng tụ và sự sôi chất lưu ở trên thành bình điều áp.
• Sự truyền nhiệt lượng và khối lượng giữa pha lỏng và pha khí. Sự truyền nhiệt giữa
miền 2 và miền 3 được thực hiện bởi phương thức dẫn nhiệt và đối lưu. Trong suốt quá
trình tăng mức nước trong bình điều áp thì phần nước dâng lên sẽ hòa trộn vào phần
nước có trong thùng chịu áp, phương thức truyền nhiệt đối lưu chiếm ưu thế.
• Ảnh hưởng của khí không ngưng tụ. Ở miền 1 có thể có khí không ngưng tụ (nitrogen).
Sự truyền nhiệt lượng và khối lượng giữa các miền và thành bình điều áp sẽ chịu ảnh
hưởng của khí không ngưng tụ.
Đường dâng của bình điều áp sử dụng trong lò VVER-1000 được nối với một chân
nóng của hệ thống tải nhiệt lò phản ứng và van phun được nối với một chân nguội của hệ
thống tải nhiệt lò phản ứng. Các thông số chính của bình điều áp lò VVER-1000/V320 được
mô tả trong bảng số liệu sau đây [1], [5].
Bảng 1. Các thông số chính của bình điều áp lò VVER-1000/V320
Thông số V320
Thể tích tổng của thùng chịu áp (m
3
)
Thể tích phần chứa nước ở điều kiện vận hành (m

3
)
Mức nước ở điều kiện vận hành dừng (m)
Chiều cao của thùng chịu áp (m)
Độ cao tính tới đáy của thùng chịu áp (m)
Đường kính trong của thùng chịu áp (m)
Đường kính ngoài của thùng chịu áp (m)
Số lượng bộ đốt trong bộ gia nhiệt
Công suất tổng của bộ gia nhiệt (kW)
Nhiệt độ vận hành (C)
Áp suất thiết kế (MPa)
Áp suất vận hành (MPa)
Số lượng van xả an toàn
Tốc độ dòng khối qua một van xả an toàn, kg/s
Đường dâng áp
- Dài (m)
- Đường kính bên trong (m)
- Đường kính bên ngoài (m)
- Tổng thể tích (m
3
)
79
55
8.77
12.7
22.03
3.0
3.33
28
2520

346
17.7
15.7
3
50
18
0.346
0.426
1.69


4
Sơ đồ sau đây mô tả các điểm đặt của các van và bộ gia nhiệt:

Sơ đồ 1: Sơ đồ kiểm soát áp suất của bình điều áp lò VVER1000
III. SƠ ĐỒ NODE HÓA BÌNH ĐIỀU ÁP
Sơ đồ node hóa của bình điều áp lò VVER-1000 được mô tả trong hình 2 như sau:

Hình 2: Sơ đồ node hóa bình điều áp
Các thành phần thủy lực được mô phỏng trong chương trình RELAP/SCDAPSIM:
đường dâng là thành phần thủy lực C343 chia làm 3 thể tích kiểm soát (CV), thùng chịu áp
được mô phỏng bơi hai thành phần thủy lực C341 và C340, các van xả an toàn được mô
phỏng bởi 3 van (V344, V346, V348) và van phun được mô phỏng bởi van (V338).
5
Các cấu trúc nhiệt của thành ống đường dâng, thành của thùng chịu áp và bộ gia nhiệt
được mô tả bởi các cấu trúc nhiệt tương ứng là HS1343-0, HS1341-0, HS1341-1 và HS1341-
2 như được chỉ ra trong hình 2. Quá trình xây dựng input file sẽ sử dụng số liệu của bình điều
áp lò VVER-1000/V320.
IV. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
1. Trạng thái dừng

Trạng thái dừng được mô phỏng tương ứng với trạng thái vận hành dừng tại 100%
công suất lò phản ứng. Kết quả sau khi chạy chương trình bằng phần mềm
RELAP/SCDAPSIM được so sánh với giá trị vận hành thực tế của lò VVER-1000/V320
trong bảng số liệu sau:
Bảng 2: Kết quả ở trạng thái dừng
Thông số Giá trị tính toán

Giá trị thiết kế

Sai số
Áp suất hơi tại đỉnh bình điều áp, MPa

15.686 15.7 0.0016%

Nhiệt độ của nước, K 618.99 619.0 0.09%
Mức nước, m 8.325 8.77 5.07%
Trạng thái các van an toàn Đóng - -
Trạng thái van phun Đóng - -
Trạng thái bộ gia nhiệt Ngắt - -
Với giá trị ghi trong bảng 2: sai số trong kết quả tính được khi chạy chương trình ở
trạng thái dừng so với giá trị vận hành là nhỏ. Điều này cho thấy quá trình mô phỏng bình
điều áp bằng phần mềm RELAP/SCDAPSIM là khá chính xác, kết quả này là chấp nhận được.
2. Chuyển tiếp tăng áp suất
Điều kiện ban đầu cho quá trình chuyển tiếp là áp suất tại đỉnh bình điều áp là 15.7
MPa. Hiện tượng tăng áp trong hệ thống tải nhiệt sơ cấp có thể xảy ra trong quá trình khởi
động hay trong các tình huống sự cố, ví dụ như sự cố mất nước cấp trong bình sinh hơi
(TLFW) kết hợp với việc không dập được lò phản ứng (ATWS). Khi đó, áp suất trong bình
điều áp tăng dần tới điểm đặt số 1 của các xả an toàn (18.6 MPa). Điều này dẫn đến các van
xả an toàn mở. Sau khi các van xả an toàn mở thì áp suất trong bình điều áp giảm dần. Áp
suất bình điều áp giảm tới điểm đặt số 2 của các van xả an toàn (17.7 MPa), điều này dẫn tới

sự đóng lại của các xả an toàn.

Hình 3: Áp suất tại đỉnh bình điều áp Hình 4: Tốc độ dòng khối qua các van xả an toàn
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30
Thời gian, giây
T ố c đ ộ d ò ng kh ố i, kg / s
V344
V346
V348
6
Tốc độ dòng khối lượng qua van xả an toàn có giá trị xấp xỉ 50 kg/s (hình 4). Giá trị
này tương ứng với giá trị thiết kế của các van xả an toàn.
Hiện tượng thủy nhiệt chiếm ưu thế diễn ra trong bình điều áp khi áp suất tăng lên là
hiện tượng ngưng tụ hơi trên thành của thùng chịu áp. Khi áp suất tăng dẫn đến nhiệt độ bão
hòa của hơi tăng. Như vậy nhiệt độ trên thành của thùng chịu áp sẽ nhỏ hơn nhiệt độ bão hòa,
dẫn đến hiện tượng ngưng tụ hơi trên thành của thùng chịu áp. Ngược lại, khi áp suất trong
bình điều áp giảm, nhiệt độ sôi của nước giảm. Như vậy nhiệt độ trên thùng chịu áp lớn hơn
nhiệt độ sôi của nước, dẫn đến hiện tượng sôi trên thành của thùng chịu áp.
3. Chuyển tiếp tăng mức nước
Điều kiện đầu của quá trình chuyển tiếp là áp suất tại bình điều áp là 15.7 MPa và mức
nước là 8.325 m (tương ứng với hệ số pha lỏng tại CV01 đến CV05 của thành phần C341 là
bằng 1.0 và hệ số pha lỏng tại CV06 là bằng 0.25). Áp suất trong bình điều áp được tăng dần

lên dẫn đến nước được dâng lên trong bình điều áp.
Quá trình nước lạnh dâng lên trong bình điều áp (hay quá trình áp suất tăng) dẫn đến
hiện tượng ngưng tụ hơi trên thành của thùng chịu áp. Hình 6 mô tả sự tăng hệ số pha lỏng tại
CV06, tương ứng với mức nước trong bình điều áp tăng lên.

Hình 5: Áp suất tại đỉnh bình điều áp Hình 6: Tỷ số pha lỏng tại C34106
4. Chuyển tiếp giảm áp suất
Điều kiện ban đầu cho quá trình chuyển tiếp là áp suất tại đỉnh bình điều áp là 15.7 Mpa.
Với một lý do chuyển tiếp bất thường nào đó diễn ra dẫn đến áp suất trong bình điều áp giảm
tới giá trị điểm đặt 15.23 Mpa. Với giá trị áp suất này bộ gia nhiệt tự động bật lên. Nước trong
bình điều áp được đốt nóng và làm sôi nước. Sự sinh ra của các bọt khí làm cho áp suất trong
bình điều áp tăng lên. Khi áp suất tăng và đạt giá trị 15.34 thì bộ gia nhiệt sẽ tự động ngắt.
Diễn biến sự kiện sau khi chạy chương trình: đến giây thứ 15 thì áp suất tại đỉnh bình
điều áp giảm tới giá trị 15.2 Mpa, tương ứng với sự hoạt động của bộ gia nhiệt. Sau khi bộ gia
nhiệt hoạt động thì áp suất của bình điều áp được tăng dần lên. Tới giây thứ 45 thì đạt giá trị
15.34, tương ứng bộ gia nhiệt ngắt. Diễn biến sự thay đổi áp suất tại đỉnh bình điều áp và
nhiệt độ của bộ gia nhiệt được biểu diễn trong hình 7 và hình 8.




0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0 10 20 30 40 50 60
Thời gian, giây
T ỷ s ố p h a lỏ n g (li q u id v o id
fractio n )

7









Hình 7: Áp suất tại đỉnh bình điều áp Hình 8: Nhiệt độ tại tâm và vỏ của bộ gia nhiệt
V. KẾT LUẬN
Bài báo trình bày các hiện tượng thủy nhiệt cơ bản xảy ra trong các quá trình chuyển
tiếp khi vận hành lò nước áp lực PWR nói chung và lò VVER-1000 nói riêng. Sử dụng số liệu
bình điều áp lò VVER-1000/V320 để mô phỏng các kịch bản hoạt động của bình điều áp:
Trạng thái dừng, trạng thái chuyển tiếp tăng áp suất, trạng thái chuyển tiếp tăng mức nước,
trạng thái chuyển tiếp giảm áp suất. Diễn biến của các kịch bản được mô tả bởi các hình vẽ từ
hình 3 tới hình 8.
Các kết quả tính toán, phân tích không chỉ giúp cho việc hiểu biết các quá trình cơ bản
xảy ra trong bình điều áp, mà còn góp phần vào việc làm rõ và phân tích một cách đúng đắn
các quá trình chuyển tiếp cũng như các phân tích sự cố nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò
VVER-1000 bằng chương trình RELAP/SCDAPSIM.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] The dynamic modeling of the pressurizer surge tank transients in light water reactor nuclear
power plants. R.Zarghami, F.Jalali, N.Mostoufi, R.Sotudeh, K.Sepanloo, F.Dastjerdi and
Ahmari. Iranian Journal of Science & Technology, Transaction B, Engineering, Vol. 29, No. B5.
Printed in The Islamic Republic of Iran, 2005.
[2] RELAP5/MOD 3.3 code manual, volume II: Appendix A input requirements. Nuclear Safety
Analysis Division. Information systems laboraries, Inc.Rockvill, Maryland Indaho Falls, Idoha.
December 2001.

[3] RELAP5/MOD 3.3 code manual, volume V: User’s guidelines. Nuclear Safety Analysis
Division. Information systems laboraries, Inc.Rockvill, Maryland Indaho Falls, Idoha.
December 2001.
[4] Pressurized Water Reactor Systems, Reactor concept manual. USNRC Technical Training
Center.
[5] VVER-1000 Coolant Transient Benchmark. Nuclear energy agency organization for economic
co-operation and development. OECD NSC2002-06.
[6] Training course “Introduction to NPP Technology”, Reactor Coolant System and Connected
Systems. Risk Engineering Ltd. Sofia, Jan 2012
1.48E+07
1.50E+07
1.52E+07
1.54E+07
1.56E+07
1.58E+07
0 10 20 30 40 50 60
Thời gian, giây
Á p s u ấ t , P a
500
600
700
800
900
1000
0 10 20 30 40 50 60
Thời gian, giây
N h i ệ t đ ộ , K
Nhiệt độ tại tâm của bộ gia
nhiệt
Nhiệt độ tại vỏ của bộ gia

nhiệt
8
THERMAL-HYDRAULIC ANALYSIS OF TRANSIENTS
IN PRESSURIZER OF REACTOR VVER-1000 USING
RELAP/SCDAPSIM CODE

LE THI THU and LE DAI DIEN

Institute for Nuclear Science and Technology
179 Hoang Quoc Viet, Nghia Do, Cau Giay, Ha Noi
Email:

Abstract: The pressurizer is one of the main components in reactor coolant system (RCS)
of PWR and VVER designs. The pressurizer’s function is control and maitainance of the
RCS pressure within the limit values. The pressurizer pressure is changed by the increase
in bubble through heating or steam condensation through water sprays.
The paper presents about modeling of pressurizer of VVER-1000 by
RELAP/SCDAPSIM and analysis of the transient behavior. The transient scenarios were
modeled and analyzed, such as: the steady state, the pressure increase, the water level
increase and the pressure decrease.
Key words: RELAP/SCDAPSIM, VVER-1000, pressurizer.